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砷化鎵應用就在你身邊(2)─衛星通訊與光通訊

  • 黃書瑋

2008-2012全球砷化鎵市場統計與預測。

砷化鎵具備矽無法取代的優越特性
近年來由於矽製程不斷進步,高頻RF CMOS的操作頻率與特性持續提升,目前手機及Wi-Fi的RF收發機皆採用RF CMOS製程,這也是商用通訊IC朝向高整合度單一晶片SOC發展的必然結果,現今RF CMOS雖可達到高操作頻率及高整合度,但其先天物理上缺點如低崩潰電壓、矽基板高頻損耗、訊號隔離度不佳、低輸出功率密度等,使其在功率放大器及射頻開關應用上始終難以跟砷化鎵匹敵,因此砷化鎵將持續在通訊市場上佔有一席之地。市場研究機構Strategy Analytics預測,金融海嘯過後,整體砷化鎵市場將逐年成長,估計2011年市場規模超過40億美元。

台灣砷化鎵代工廠提供全方位晶圓製造
砷化鎵代工廠穩懋半導體主要替客戶生產異質接面雙極性電晶體(HBT),及應變式高電子遷移率電晶體(pHEMT),目前有超過10種製程技術進入量產階段,在一般通訊射頻IC(RFIC)方面,HBT與pHEMT主要應用於手機與無線區域網路Wi-Fi的功率放大器及射頻開關。除了上述通訊RF IC外,穩懋卓越製程能力同樣能為客戶量產更高操作頻率的單晶微波積體電路(MMIC),可應用在衛星通訊、衛星直播(DBS)、點對點微波通訊、航空雷達、60GHz高吞吐量資料傳輸系統、汽車防撞雷達系統、光纖通訊系統,及高頻震盪器等領域。

砷化鎵的衛星通訊應用
移動式商用通訊RFIC強調輕薄短小與低耗電量,而特殊用途的MMIC首重高頻特性,例如在極高操作頻率下提供高輸出功率,或是提供極低雜訊的信號放大,對元件要求非常嚴格,是矽製程元件無法達到的。穩懋pHEMT製程已成功為客戶量產衛星通訊MMIC,並通過客戶驗證,在與代工廠的長期合作下,客戶能無虞擴充產品線。例如應用於VSAT的MMIC,VSAT(Very Small Aperture Terminal)即衛星小型地面站,可為偏遠地區的商業用戶和家庭提供可靠且具低成本的寬頻傳輸,VSAT採用小型天線來發送和接收衛星訊號,其中升頻模組BUC (Block Up Converter)及低雜訊降頻模組LNB (Low Noise Block Down Converter)為最關鍵模組,BUC中的功率放大器必須提供一瓦至數瓦的高頻輸出功率,且部分規格的VSAT操作頻率是手機操作頻率的7倍以上,為了提高輸出功率元件也須操作在高電壓,而高功率pHEMT製程可滿足高頻與高電壓操作,電晶體崩潰電壓大於20伏特,電路可操作於8伏特直流偏壓;由於衛星通常距離地球數萬公里,為了接收發送自衛星的微弱信號,LNB中的低雜訊放大器(LNA)必須提供極低雜訊的信號放大,低雜訊pHEMT製程同樣可滿足此嚴苛要求。

砷化鎵元件為雷達組成要件:
除了衛星通訊MMIC,目前穩懋代工的pHEMT產品還包括應用於航空用途的相位陣列雷達(phased-array radar),主要電路為高功率功率放大器、中功率驅動放大器、數位式衰減器(digital attenuator)、及數位式移相器(digital phase shifter),其中數位式移相器必須倚賴高良率製程來達到精確的高頻相位控制,因為些微主動或被動元件製程偏移均會造成相位偏差,進而影響數位式移相器MMIC的最終良率,而穩懋可提供高良率砷化鎵製程,目前所量產的MMIC均可滿足客戶要求的良率。

點對點微波通訊之應用:
點對點微波通訊方面,應用頻率範圍由低頻至超過40GHz,除了功率放大器、增益放大器、及低雜訊放大器MMIC外,pHEMT亦應用於升頻、降頻電路模組中的混頻器與倍頻器,而高頻壓控振盪器則由HBT製作,因為HBT元件有絕佳相位雜訊。所謂升頻、降頻電路亦即用於頻率轉換的電路,例如信號由天線發送前必須透過升頻電路將信號頻率升高,之後再經由功率放大器將信號送至天線;而信號由天線接收後則經由降頻電路將信號頻率降低至特定範圍,以做後續資料處理。

砷化鎵60GHz通訊市場的新契機
目前60GHz頻帶的無線個人區域網路(WPAN)發展相當熱門,其資料傳輸率高達數Gbps,可在短距離內無線傳播未壓縮的高解析度視訊,取代平面液晶電視原有的連接線,達到無線高畫質影音傳輸。以砷化鎵製作的60GHz發射模組能提供高效率輸出功率,達到省電效果;而接收模組亦具有低雜訊特點,其特性遠優於矽製程電路,雖然目前的60GHz應用並未要求高輸出功率,但是矽製程過低的功率效率,及系統使用上過大功耗問題仍難以解決。

汽車防撞雷達的應用
另一項砷化鎵的重要應用為汽車防撞雷達系統,長距離規格的汽車防撞雷達操作於77GHz,傳統上即以砷化鎵 MMIC模組來構成系統,儘管同樣面臨矽製程的競爭,砷化鎵仍具有價格上的競爭優勢,根據Strategy Analytics的分析,現階段採用矽製程製作汽車防撞雷達並無法有效降低成本,目前市場規模仍不夠大,初期晶片生產的光罩成本相當高,因此Strategy Analytics也預期到2012年砷化鎵仍會主導汽車防撞雷達市場。而穩懋開發中的先進pHEMT製程可應用於77GHz以上頻率,能為客戶量產低成本的汽車防撞雷MMIC。

光纖通訊砷化鎵元件市場
10Gbps光纖通訊市場正成長中,直接帶動砷化鎵光纖元件的需求。目前穩懋產線上已有適用於10Gbps系統的HBT製程,可滿足寬頻光纖通訊電路的需求。新一代40Gbps的高速光纖通訊系統也持續發展,系統中的光調製器需要搭配頻寬高達40GHz的驅動電路,且驅動電路必須提供數伏特振幅的輸出信號來推動光調製器,同時具備高崩潰電壓與高操作頻率的電晶體才能滿足此要求,因此市面上的40GHz驅動電路多以pHEMT製作。

台灣砷化鎵代工廠提供測試服務
此外,為了加速客戶產品的上市速度,穩懋也提供客製化的產品級量產測試,根據客戶要求製作測試針具,並撰寫測試程式,在晶片製程完成後隨即進行量產測試。除了多樣化的晶片直流特性測試外,目前現有測試設備亦可進行各種高頻特性測試,例如低雜訊放大器與降頻電路的雜訊指數測試、各種電路的高頻散射參數測試、高頻放大器和升頻電路的增益測試、射頻開關的諧波與交互調變測試,及功率放大器的功率測試。特別一提的是針對30GHz以上的高操作頻率,且輸出功率大於10瓦的高功率放大器亦有完整的測試方案,而設備中的部分模組更由廠內工程師自行開發完成。由於6吋晶圓上製作完成的MMIC晶片數量相當多,加上單一晶片測試項目可能高達數十項,因此整片晶圓的測試時間很長,為了加快測試速度,目前亦提供多晶片測試方案。

直流及高頻測試完成後,客戶隨即在第一時間得知產品良率,之後再於廠內進行晶片切割,根據測試資料客戶挑選出通過良率測試的MMIC晶粒進行後續封裝。簡而言之,穩懋半導體不僅提供全方位砷化鎵晶圓專業代工製造,同時也提供客製化產品測試及檢測服務,讓客戶在最短時間內將產品推出市面。(本文由穩懋半導體提供,DIGITIMES整理)



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